平原河道型水庫水環境承載力計算及分析

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1 項目概述

水環境承載力能夠反映污染物在環境中的遷移、轉化和積存規律，也能反映水環境在滿足特定功能條件下對污染物的承受能力；它是水污染總量控制的一個重要參數，其大小與水體特征、水質目標及污染物特性有關。不同類型的水體如河流、湖泊和水庫，其水環境承載力的計算方法也不盡相同。

隨著我國社會經濟的發展，為了滿足不斷增長的用水需求，沿海地區入海河流河口多建有擋潮閘。擋潮閘不僅可以防止海水咸潮上溯并入侵河流，提高上游河道防洪行洪的能力，而且還可以攔蓄淡水資源，形成河道型水庫。河道型水庫具有河流與水庫的雙重特征，其庫長都大于水深和水面寬度；在枯水期，由于河道上游來水較少，水庫處于高水位運行，因此會呈現出水庫和湖泊的特征；在洪水期，因防洪需要，水庫以低水位運行，來水量基本等于泄流量，此時呈現為河道的特性。

以東部沿海新沭河太平莊閘至三洋港擋潮閘段河道型水庫水體為例，在充分考慮所研究區域水體基本特征的前提下，采用非均勻分布系數的水環境承載力計算方法開展數學計算。首先建立河道型水庫二維非穩態水動力水質耦合模型，動態模擬水體水流的水質時空變化過程，分別求取庫區逐月非均勻分布系數，并運用修正后的承載力計算公式求得庫區水環境承載力。

2 計算方法

2.1 研究區域

新沭河是沭河的重要支流，從山東臨沭縣大官莊至連云區臨洪口入海處，全長78 km。新沭河河口建有三洋港閘，其上游12.68 km處建有太平莊閘，兩閘不僅可以阻擋海水咸潮上溯，還可形成河道型水庫，以實施聯合調度。根據工程運用規劃，三洋港擋潮閘在汛期開閘泄洪，非汛期關閘擋潮、蓄水；在非汛期，太平莊閘至三洋港閘之間正常蓄水位為2.5 m，蓄水量為1 200萬m3。

2.2 基本計算公式

污染物質在水體中的遷移轉化與河流的河道地形、水文條件等密切相關，在新沭河現狀水文條件下，水體中污染源的時空分布不均勻，致使污染物質在空間分布以及遷移轉化過程中會產生差異，導致污染物在水體中不能完全混合。為此，運用二維非穩態水流水質模型來求解庫區非均勻分布系數，從而計算出兩座閘門之間河段的水環境承載力。

鑒于太平莊閘至三洋港閘之間水體污染物質分布存在差異，因此采用了非均勻分布系數法的水環境承載力計算方法，即

(1)

3 建模及參數選取

3.1 基本控制方程

通過建立倆閘區間的二維非穩態水動力水質模型，對水庫水流、污染物時空變化進行計算模擬;并根據水質監測實測結果來求解污染物的降解系數。

(1) 水動力基本方程。水體運動可用二維淺水方程來描述，其守恒形式可表達為

(2)

gh(s0x-sfx)+hfv+fFx

(3)

gh(s0y-sfy)-hfu+fFy

(4)

式中，h為水深；u,v分別表示x,y方向垂線的水平平均流速分量；g為重力加速度；sfx,sfy分別為x,y方向的摩阻底坡；s0x,s0y分別為x,y方向的河底底坡；Fx,Fy分別為x,y方向的摩擦力分量；f為科氏參數。

(2) 水質基本方程。采用二維對流-擴散方程描述污染物的遷移轉化過程，其守恒形式可表達為

(5)

3.2 數值解法

可以對水動力、水質控制方程進行聯合求解。可表達為

(6)

式中，q為守恒物理量；f(q),g(q)分別為x,y方向的通量；b(q)為源匯項。

基于有限體積法框架,將上述方程進行離散求解，定義矩陣F(q)=[f(q),g(q)]T,在任意形狀的單元Ω上進行積分散度。經推導即得

(7)

式中，A為Ω的體積；m為單元邊總數；Lj為單元第j邊的長度；T(Φ)-1為坐標旋轉逆變換矩陣；f(q)為法向通量，可通過求解一維黎曼初值問題中的外法向數值通量fLR得到，表達式為

(8)

q=qR(x>0,t=0)

(9)

q=qL(x

(10)

FVS(通量向量分裂)格式被用來求解二維淺水水動力水質模型方程數值通量。具體可以參考相關的研究。

3.3 率定驗證

先構建倆閘間水流水質模型，模型計算區域為新沭河太平莊閘至河口三洋港擋潮閘，分別選取太平莊閘斷面及三洋港擋潮閘斷面作為模型計算的上、下邊界。圖1為實測的水質監測數據及COD濃度，展示了COD參數模型的模擬值與實測值的對比情況。可以看出，各月份的COD均處于Ⅲ水質指標，符合其執行Ⅲ水功能區劃的指標，然后，對模型的各相關參數進行率定。此外，運用GAMBIT軟件將該區段進行四邊形單元格劃分(共計6 285個單元網格)，網格平均尺寸為50 m×50 m。結果表明，模擬結果與實測值的擬合效果較好，相對誤差位于9%～12%之間；縱向(y向)擴散系數為0.70 m2/s，橫向(x向)擴散系數為0.06 m2/s，COD的降解系數為0.06 d-1。

圖1 COD參數模型模擬值與實測值比對

GAMBIT軟件旨在幫助分析者和設計者建立并網格化計算流體力學(CFD)模型。GAMBIT通過其用戶界面(GUI)來接受用戶的輸入。GAMBIT GUI可以簡單而又直接地做出建立模型、網格化模型、指定模型區域大小等基本步驟。

4 非均勻分布系數的確定

影響水體污染物遷移擴散的因素較多，而水動力條件不可或缺。在具有相同長度的污染帶條件下，水環境承載力隨著水動力條件的改變而改變。運用二維非穩態水動力水質模型，對選擇研究區域2011年全年的水流、水質時空變化過程進行數值模擬。通過不斷調試太平莊閘來水和薔薇河2個入庫區處的污染物排放量，計算不同污染物排放量條件下庫區最大排污混合帶長度，并建立排污量與混合帶長度的響應關系曲線。基于新沭河執行Ⅲ水環境功能區劃的要求及混合區域長度、面積等的控制要求，在保證混合區域長度、面積及水質滿足標準及要求的情況下進行響應關系計算。庫區污染物允許排放量為U0；完全混合承載力為U1，庫區非均勻分布系數計算公式為

(11)

U1=KVCs

(12)

依據模型模擬計算結果以及不同水功能區劃所分成的不同水域，模擬計算出混合帶的長度，并最終利用圖表顯示出庫區洪、枯兩季污染物通量U與排污混合帶長度L的響應關系曲線。洪季(7月)、枯季(1月)典型的月響應關系曲線如圖2所示。

圖2 庫區洪季、枯季典型月污染物COD通量與污染帶長度響應關系

根據相關水環境承載力研究成果，取排污混合帶控制系數10%進行計算，即控制允許排污混合帶總長度不超過河段長度的10%；新沭河太平莊閘至三洋港擋潮閘蓄水河道長度為12.68 km，根據 上述參數，以河道長度的10%即1.27 km控制允許排污混合帶的長度。根據兩閘區間污染物排放量與排污混合帶長度響應關系曲線及逐月水位-庫容對應關系(圖3)，運用公式(12)求得兩閘區間水體逐月非均勻分布系數，見表1。計算結果表明，在洪季上游來水充沛，水庫低水位運行，水庫蓄水量降低；枯季時上游來水較少，下游太平莊閘關閉，庫區水動力條件顯著低于洪季，因此洪季污染物質與水體的混合程度高于枯季。

圖3 庫區逐月水位與庫容變化趨勢

表1 逐月非均勻分布系數及水環境承載力計算結果

5 計算結果

基于計算得出的庫區逐月非均勻分布系數，運用公式(1)對庫區水環境承載力進行計算,計算結果見表1。從表1可以看出，非汛期，水庫水位維持在2.5 m左右，在農業灌溉用水較多的3～5月及10～11月，水庫庫容稍有下降，水環境承載力較小；汛期，新沭河承泄流域洪水，水位顯著上升，水動力條件較好，水環境承載力明顯變大。汛期水環境承載力較非汛期增加44%。經計算，2011年全年庫區水環境承載力為5 160.52 t/a。

6 結 論

以東部沿海新沭河太平莊閘至三洋港擋潮閘段河道型水庫為研究對象，建立了兩座閘區間的二維非穩態水動力水質模型，并運用非均勻分布系數的水環境承載力計算方法，求取庫區的水環境承載力。根據計算結果，可以得出以下結論。

(1) 河道型水庫調度運行方式和地區水文情勢，對庫區水體水動力條件及污染物質與庫區水體的混合程度的影響較大。故庫區非汛期與汛期非均勻分布系數差異較大，汛期非均勻分布系數平均為0.23，枯季為0.19。

(2) 庫區水環境承載力受其水位、流域水文情勢影響較大；汛期維持平均水位2.54 m時，其承載力值比非汛期的2.44 m大約增加了44%，計算得出的全年水環境承載力為5 160.52 t/a。

(3) 通過對庫區水環境承載力的計算研究，可為開展庫區水資源配置、開發、節約及保護等工作提供水質信息支撐，具有重要的意義。